华科大团队研发可见光高效驱动的分子光开关，用于信息存储和加密

面对当下数据爆炸式增长，该如何应对呢？

目前数据信息存储方式主要包括磁介质存储和半导体闪存等，但这些方式不仅能耗比高，还面临储存时间有限、使用费用高等问题。

光盘作为常见的光存储载体，具有能耗低、成本低、存储长久和安全的优势，但它的存储密度、容量和读写速度皆有限。因此，发展出同时能够满足安全、大容量、低能耗的新型存储材料和技术尤为重要。

分子开关（光致变色）类光存储材料不受材料本身的限制，存储单元尺度理论上能够小到分子级别，具有高密度光存储的应用潜力。在长期低成本海量数据存储方面具有较高的使用价值。

然而，分子开关类光存储材料也面临着依赖于有害且成本高的紫外光驱动、稳定性差以及开关转换不完全等问题。

图丨李冲团队部分成员合影（来源：该团队）

近期，华中科技大学李冲副教授、朱明强教授团队开发出由可见光高效驱动的双稳态分子光开关，有望推动分子光开关材料在高密度光信息存储方面应用的发展。

图丨相关论文（来源：Angewandte Chemie International Edition）

近日，相关论文以《面向光学信息记录：一种稳健的可见光驱动的分子光开关，闭环反应产率超过 96.3%》（Towards Optical Information Recording: A Robust Visible-Light-Driven Molecular Photoswitch with the Ring-Closure Reaction Yield Exceeding 96.3%）为题发表在 Angewandte Chemie International Edition 上[1]。

华中科技大学武汉光电国家研究中心硕士生洪盼为第一作者，李冲副教授担任通讯作者。

（来源：Angewandte Chemie International Edition）

二噻吩基乙烯（dithienylethene，DTE）分子开关具有双热稳定态，在一定温度范围内，即便加热也不会影响数据存储（读写擦功能）。

需要了解的是，一般分子开关需要通过紫外光照实现变色的过程，但紫外光具有较高的光损伤性，使用成本通常比较高，并对光学系统设备具有较高的技术要求。

在该研究中，研究人员以三苯胺苯基（triphenylamine phenyl，TPAP）为修饰基团，将 DTE 作为分子开关的母核。

在保持材料优异性能的同时，解决了分子开关转化率不高的问题，可见光下高转化率的分子开关提高了可见光材料的实用性。

该研究中，在 405nm 短波可见光照射条件下，分子光开关的闭环反应产率逾 96.3%。405nm 的可见光是商用光盘常用的驱动光，它的优势是来源广泛、获取相对容易且价格相对较低。

据悉，在科研领域，超过 90% 的闭环反应产率即是比较优秀的分子开关的开闭环数据。终态时，未能转化的开环体比例越多，越可能会对开关对比度信号或材料功能产生不利影响，而越接近 100% 的闭环反应产率意味着越有可能按照指令被可控地操作。

谈及高转化率的意义，李冲表示：“从概率上容易推论出，当分子开关的应用下探至单分子和少数分子集群尺度时，高的开关反应转化率是它们的物理性质稳定操控（而不出现随机响应）的前提条件。”

他们通过高效液相色谱和核磁共振氢谱方法双重检验后，得出 96.3% 的闭环反应产率。相对来说具有较高的可靠性，也为领域提供了一种相对标准的范式。

（来源：Angewandte Chemie International Edition）

从结构上来看，可见光高效驱动的分子光开关比较精简（无复杂的结构基团），易于材料的复现，借鉴该思路有望设计出更好性能的材料。

李冲表示：“希望通过该研究可以让更多人看到，从材料合成到性能的角度，越简单的结构反而越有利于应用。”

图丨光信息存储的应用（来源：Angewandte Chemie International Edition）

他们利用材料的双稳态特性，演示了多阶光信息存储应用，实现了 8 阶光存储。这意味着一个数据记录单元可以存放 3 比特数据量，而当前的光盘存储通常只能存储 1 比特数据。

一方面，该材料能够应用于需要保密传输信息的特殊领域，例如防伪、信息加密等。另一方面，该材料还可应用于可重写的信息显示。

李冲举例说道：“例如，我们现在经常在超市等场所看到的二维码等显示信息，也可以利用该技术应用在具有可重写功能的信息或标签显示，促进资源的循环利用。”

该研究是研究团队完成光信息存储系列研究的第一步，未来他们将继续提升材料的实用性。据了解，研究人员最近正在致力于能够实现 100% 转化的可见光驱动的分子开关，目前初步结果已表明，在该研究中的结构基础上能够获得性能更高的分子开关材料。

李冲表示：“后期我们会把高性能的可见光驱动性能引入，并朝着荧光分子开关的方向发展，它的信噪比高于颜色（吸收）信号至少 2 个数量级，高检测敏感度更有利于信息存储的读写和密度提升。”

此外，该课题组还计划利用该技术单分子的特点，在超分辨荧光成像方向继续探索。

参考资料：

1.Pan Hong, Jing Liu, Kai-Xuan Qin, Rui Tian, Ling-Yan Peng, Yun-Shu Su, Zongsong Gan, Xiang-Xiang Yu, Lei Ye, Ming-Qiang Zhu and Chong Li ，Towards Optical Information Recording: A Robust Visible-Light-Driven Molecular Photoswitch with the Ring-Closure Reaction Yield Exceeding 96.3%，Angewandte Chemie International Edition,2024,e202316706. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202316706

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